基于光固化3d打印織構(gòu)氧化鋁的混合埋粉脫脂方法

技術(shù)領(lǐng)域

1.本發(fā)明屬于光固化增材制造與陶瓷后續(xù)熱處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于光固化3d打印織構(gòu)氧化鋁的混合埋粉脫脂方法。

背景技術(shù)：

2.光固化增材制造技術(shù)滿足任意形狀逐層固化，層層疊加直接打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜陶瓷，目前備受青睞。但是光固化形成的素坯在后處理過(guò)程中由于收縮和形變難免會(huì)產(chǎn)生裂紋，尤其對(duì)于織構(gòu)陶瓷的光固化打印，因?yàn)樵跐{料中加入的二維氧化鋁片晶導(dǎo)致打印成的素坯具有各向異性，在脫脂過(guò)程中不同方向受到的應(yīng)力不同，非常容易產(chǎn)生脫脂裂紋，這在很大程度上影響陶瓷最終力學(xué)性能。在脫脂過(guò)程中合理的利用外界因素將溶劑脫出有利于減少陶瓷胚體的裂紋從而提高性能。已經(jīng)有研究開(kāi)始采用保護(hù)氣體、真空脫脂、分步脫脂、微波場(chǎng)等技術(shù)或輔助方法來(lái)改善在后處理過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷。

3.目前傳統(tǒng)的保護(hù)氣氛脫脂，需通保護(hù)氣氛長(zhǎng)達(dá)60-120小時(shí)以上，因通入氣體時(shí)間太長(zhǎng)導(dǎo)致資源浪費(fèi)，并且花費(fèi)過(guò)高。真空脫脂由于熱對(duì)流效果差，所以溫度很難控制，有著容易誘發(fā)配體開(kāi)裂和畸變等缺點(diǎn)。微波場(chǎng)由于升溫速率難以控制目前還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的埋粉脫脂僅僅將陶瓷素坯埋入與胚體材料相同的粉中，目前沒(méi)有針對(duì)織構(gòu)氧化鋁陶瓷光固化打印素坯進(jìn)行埋粉的應(yīng)用和方法。如何在埋粉后處理過(guò)程中保持織構(gòu)氧化鋁的高精度宏觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)減少織構(gòu)氧化鋁在后處理過(guò)程中各向異性收縮導(dǎo)致的裂紋缺陷產(chǎn)生，進(jìn)而提高力學(xué)性能，是織構(gòu)氧化鋁光固化打印陶瓷素坯在埋粉脫脂時(shí)面臨的重點(diǎn)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

4.本發(fā)明的目的在于提供一種基于光固化3d打印織構(gòu)氧化鋁的混合埋粉脫脂方法，解決了目前無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)脫脂工藝制備出高性能光固化3d打印織構(gòu)陶瓷這一問(wèn)題。

5.本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，基于光固化3d打印織構(gòu)氧化鋁的混合埋粉脫脂方法，包括如下步驟：

6.1)制備陶瓷漿料：制備陶瓷漿料液相體系，將陶瓷漿料液相體系中加入分散劑利用行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨20-30min，然后再加入球形氧化鋁粉末與助燒結(jié)劑，繼續(xù)球磨2-3h使各個(gè)物料在陶瓷漿料液相體系中分散均勻；然后取出磨球，加入片晶氧化鋁粉繼續(xù)使用行星球磨機(jī)攪拌2-3h使其混合均勻，最后加入紫外光引發(fā)劑繼續(xù)攪拌均勻得到陶瓷漿料；

7.2)采用面曝光工藝，在pdms膜上利用剪切力定向3d打印具有定向微觀織構(gòu)的氧化鋁陶瓷素坯；

8.3)采用sem來(lái)觀察片晶氧化鋁粉和球形氧化鋁粉末的微觀形貌，進(jìn)一步確定顆粒的大小及尺寸，選擇埋粉用于后續(xù)埋粉脫脂；

9.4)對(duì)氧化鋁陶瓷素坯進(jìn)行埋粉狀態(tài)下的熱重分析，設(shè)計(jì)脫脂曲線；

10.5)根據(jù)脫脂曲線將氧化鋁陶瓷素坯埋入步驟3)選擇的埋粉中采用一定壓力壓實(shí)，并在馬弗爐中進(jìn)行熱脫脂，對(duì)脫脂后的陶瓷素坯進(jìn)行燒結(jié)，得到具有高性能的織構(gòu)氧化鋁

陶瓷。

11.本發(fā)明的特征還在于，

12.步驟1)中，陶瓷漿料液相體系按照體積百分比由如下原料混合制成：55-70vol％的光敏樹(shù)脂，30-45vol％的溶劑，以上組分體積百分比之和為100％；

13.其中，光敏樹(shù)脂為hdda、tmpta、acmo、oppea中的一種或多種任意比混合，溶劑為poe、ppg200-800、peg200-800中的一種或多種任意比混合；

14.加入的分散劑為球形氧化鋁粉末及片晶氧化鋁粉總重的1-3wt％，分散劑為kd1、cc42中的一種或兩種等比例混合物；

15.加入的球形氧化鋁粉末的用量為陶瓷漿料的30-45vol％，燒結(jié)助劑占片晶氧化鋁粉質(zhì)量的3wt％，其中燒結(jié)助劑為cao、sio2中的一種或cao與sio等比例混合的混合物；

16.加入的片晶氧化鋁粉，粉體直徑為7

–

11μm，厚度為200

–

250nm，占陶瓷漿料體積的5-10vol％；

17.加入的紫外光引發(fā)劑為占陶瓷漿料液相體系質(zhì)量的1-2wt％其中紫外光引發(fā)劑為irgacure651或tpo。步驟2)的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

18.201)采用面曝光工藝，將pdms膜作為惰性膜放置于漿料槽底部，然后向漿料槽中加入步驟1)制備得到的陶瓷漿料；

19.202)在打印過(guò)程中，在曝光前陶瓷漿料會(huì)由于工作臺(tái)下降被擠壓向周圍流動(dòng)，進(jìn)而定向漿料中的片晶氧化鋁粉，在定向結(jié)束后進(jìn)行曝光固化，并打印下一層，重復(fù)該過(guò)程逐層打印，最終形成具有織構(gòu)的氧化鋁陶瓷素坯。

20.步驟3)中，選擇的埋粉為單分散粒徑為200或300nm的sio2、d50直徑為200或300nm的al2o3、d50直徑為200或300nm針狀si3n4中的一種或任意兩種的混合粉末；當(dāng)埋粉為任意兩種的混合粉末時(shí)，按照1-4:6-9的比例混合均勻。

21.步驟4)中，設(shè)計(jì)脫脂曲線具體為：從室溫開(kāi)始采用0.5-3℃/min的升溫速率升至80℃-110℃保溫100-200min，然后采用0.1-1.5℃/min的升溫速率升至120℃-140℃保溫300-400min，采用0.1-1.5℃/min的升溫速率升至180℃-210℃保溫300-400min，采用0.1-1.5℃/min的升溫速率升至290℃-320℃保溫300-400min，采用0.1-1.5℃/min的升溫速率升至430℃-460℃保溫300-400min，采用0.5-3℃/min的升溫速率升至580℃-610℃，采用0.5-3℃/min的升溫速率升至900℃-930℃，采用0.5-3℃/min的降溫速率降至600℃，然后冷卻至室溫。

22.步驟5)的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

23.501)在陶瓷匣中，底層鋪入步驟3)選擇的埋粉5-7mm，放入氧化鋁陶瓷素坯，再鋪上步驟3)選擇的埋粉8-10mm；利用壓板將粉用5mpa壓力壓實(shí)；

24.502)將陶瓷匣放入馬弗爐中部，保證爐內(nèi)溫度與表盤溫度一致；

25.503)根據(jù)步驟4中的脫脂曲線進(jìn)行脫脂；

26.504)采用空氣氣氛燒結(jié)爐，燒結(jié)過(guò)程為：室溫-200℃采用0.5-1℃/min的升溫速率；200℃-600℃采用1-1.5℃/min的升溫速率，600℃-1400℃采用3-5℃/min的升溫速率，1400℃-1600℃采用1-2℃/min的升溫速率1600℃保溫1-2h，1600℃-室溫采用4-5℃/min的降溫速率。

27.本發(fā)明的有益效果是：

28.本發(fā)明方法可以通過(guò)特殊混合埋粉的方法進(jìn)行光固化3d打印織構(gòu)氧化鋁脫脂，成形高性能低缺陷的織構(gòu)氧化鋁，埋粉脫脂不僅對(duì)陶瓷素坯起到支撐作用避免粘結(jié)劑軟化使胚體在自重作用下發(fā)生變型，而且比表面積合適的埋粉可以通過(guò)毛細(xì)吸附作用促進(jìn)有機(jī)粘結(jié)劑的排除，從而達(dá)到減少在后處理過(guò)程中產(chǎn)生缺陷的目的。本發(fā)明方法提將系統(tǒng)的混合埋粉應(yīng)用于織構(gòu)氧化鋁陶瓷素坯后處理過(guò)程中；結(jié)合熱重分析對(duì)不同溫區(qū)重量損失情況作以分析制定脫脂曲線。進(jìn)而通過(guò)混合埋粉脫脂技術(shù)形成無(wú)裂紋的高性能織構(gòu)陶瓷。該方法有著綠色環(huán)保、效率高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。為光固化3d打印織構(gòu)氧化鋁素坯后續(xù)熱處理提供一種新的制造方法。

附圖說(shuō)明

29.圖1是本發(fā)明方法的流程圖；

30.圖2是本發(fā)明方法脫脂后的素坯與傳統(tǒng)脫脂后的素坯對(duì)比圖；

31.圖3是本發(fā)明方法脫脂后的素坯與傳統(tǒng)脫脂后的素坯另一個(gè)角度的對(duì)比圖；

32.圖4是本發(fā)明方法中燒結(jié)完成的陶瓷斷面掃描電鏡圖。

具體實(shí)施方式

33.下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

34.本發(fā)明提供一種基于光固化3d打印織構(gòu)氧化鋁的混合埋粉脫脂方法，如圖1所示，包括如下步驟：

35.1)制備陶瓷漿料：制備陶瓷漿料液相體系，將陶瓷漿料液相體系中加入分散劑利用行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨20-30min，然后再加入球形氧化鋁粉末與助燒結(jié)劑，繼續(xù)球磨2-3h使各個(gè)物料在陶瓷漿料液相體系中分散均勻；然后取出磨球，加入片晶氧化鋁粉繼續(xù)使用行星球磨機(jī)攪拌2-3h使其混合均勻，最后加入紫外光引發(fā)劑繼續(xù)攪拌均勻得到陶瓷漿料；

36.步驟1)中，陶瓷漿料液相體系按照體積百分比由如下原料混合制成：55-70vol％的光敏樹(shù)脂，30-45vol％的溶劑，以上組分體積百分比之和為100％；

37.其中，光敏樹(shù)脂為hdda、tmpta、acmo、oppea中的一種或多種任意比混合，溶劑為poe、ppg200-800、peg200-800中的一種或多種任意比混合；

38.加入的分散劑為陶瓷粉總重(球形氧化鋁粉末及片晶氧化鋁粉總重)的1-3wt％，分散劑為kd1、cc42中的一種或兩種等比例混合物；

39.加入的球形氧化鋁粉末的用量為陶瓷漿料的30-45vol％，燒結(jié)助劑占片晶氧化鋁粉質(zhì)量的3wt％，其中燒結(jié)助劑為cao、sio2中的一種或cao與sio等比例混合的混合物；

40.加入的片晶氧化鋁粉，粉體直徑為7

–

11μm，厚度為200

–

250nm，占陶瓷漿料體積的5-10vol％；

41.加入的紫外光引發(fā)劑為占陶瓷漿料液相體系質(zhì)量的1-2wt％，其中紫外光引發(fā)劑為irgacure651或tpo。

42.2)采用面曝光工藝，在pdms膜上利用剪切力定向3d打印具有定向微觀織構(gòu)的氧化鋁陶瓷素坯；

43.步驟2)的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

44.201)采用面曝光工藝，將pdms膜作為惰性膜放置于漿料槽底部，然后向漿料槽中

加入步驟1)制備得到的陶瓷漿料；

45.202)在打印過(guò)程中，在曝光前陶瓷漿料會(huì)由于工作臺(tái)下降被擠壓向周圍流動(dòng)，進(jìn)而定向漿料中的片晶氧化鋁粉，在定向結(jié)束后進(jìn)行曝光固化，并打印下一層，重復(fù)該過(guò)程逐層打印，最終形成具有織構(gòu)的氧化鋁陶瓷素坯。

46.3)采用sem來(lái)觀察片晶氧化鋁粉和球形氧化鋁粉末的微觀形貌，進(jìn)一步確定顆粒的大小及尺寸，將一種粒徑小于素坯內(nèi)粉體的單分散粉體和一種粒徑小于素坯內(nèi)粉體非單分散粉體混合作為埋粉，將其并按一定比例混合，用于后續(xù)埋粉脫脂；

47.步驟3)中，選擇的比表面積合適的埋粉為單分散粒徑為200或300nm的sio2、d50直徑為200或300nm的al2o3、d50直徑為200或300nm針狀si3n4中的一種或任意兩種的混合粉末；當(dāng)埋粉為任意兩種的混合粉末時(shí)，按照1-4:6-9的比例混合均勻。

48.4)對(duì)氧化鋁陶瓷素坯進(jìn)行埋粉狀態(tài)下的熱重分析，分析不同溫區(qū)的質(zhì)量變化情況，合理的設(shè)計(jì)脫脂曲線；

49.步驟4)中，將素坯埋入混合粉末中壓實(shí)測(cè)熱重，并根據(jù)熱重分析圖來(lái)確定脫脂升溫曲線。設(shè)計(jì)脫脂曲線具體為：從室溫開(kāi)始采用0.5-3℃/min的升溫速率升至80℃-110℃保溫100-200min，然后采用0.1-1.5℃/min的升溫速率升至120℃-140℃保溫300-400min，采用0.1-1.5℃/min的升溫速率升至180℃-210℃保溫300-400min，采用0.1-1.5℃/min的升溫速率升至290℃-320℃保溫300-400min，采用0.1-1.5℃/min的升溫速率升至430℃-460℃保溫300-400min，采用0.5-3℃/min的升溫速率升至580℃-610℃，采用0.5-3℃/min的升溫速率升至900℃-930℃，采用0.5-3℃/min的降溫速率降至600℃，然后冷卻至室溫。

50.5)根據(jù)脫脂曲線將氧化鋁陶瓷素坯埋入混合粉步驟3)選擇的埋粉中采用一定壓力壓實(shí)，并在馬弗爐中進(jìn)行熱脫脂，對(duì)脫脂后的陶瓷素坯進(jìn)行燒結(jié)，得到具有高性能的織構(gòu)氧化鋁陶瓷。

51.步驟5)的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

52.501)在50

×

20

×

30mm的陶瓷匣中，底層鋪入步驟3)選擇的埋粉5-7mm，放入氧化鋁陶瓷素坯，再鋪上步驟3)選擇的埋粉8-10mm；利用壓板將粉用5mpa壓力壓實(shí)減少空氣通過(guò)空隙與素坯接觸；

53.502)將陶瓷匣放入馬弗爐中部，保證爐內(nèi)溫度與表盤溫度一致；

54.503)根據(jù)步驟4)中的脫脂曲線進(jìn)行脫脂；

55.504)采用空氣氣氛燒結(jié)爐，燒結(jié)過(guò)程為：室溫-200℃采用0.5-1℃/min的升溫速率；200℃-600℃采用1-1.5℃/min的升溫速率，600℃-1400℃采用3-5℃/min的升溫速率，1400℃-1600℃采用1-2℃/min的升溫速率1600℃保溫1-2h，1600℃-室溫采用4-5℃/min的降溫速率。

56.實(shí)施例1

57.(1)陶瓷漿料液相體系制備：將50vol％的hdda與15vol％的tmpta以及35vol％的ppg400溶劑混合制成的液相體系，再加入kd1與cc42分散劑利用行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨20min，kd1與cc42的混合物占陶瓷粉總重的3wt％，kd1與cc42的質(zhì)量比按1:1計(jì)算。

58.(2)然后再加入球形氧化鋁粉末與助燒結(jié)劑，繼續(xù)球磨2h使各個(gè)物料在陶瓷漿料液相體系中分散均勻，加入球形氧化鋁粉末的用量為陶瓷漿料的45vol％，cao和sio2組成的燒結(jié)助劑占片晶氧化鋁粉質(zhì)量的3wt％，cao和sio2的質(zhì)量比按1:1計(jì)算；

59.(3)然后取出磨球，加入片晶氧化鋁粉繼續(xù)使用行星球磨機(jī)攪拌2h使其混合均勻，最后加入紫外光引發(fā)劑繼續(xù)攪拌均勻得到陶瓷漿料；加入的片晶氧化鋁粉，粉體直徑為10μm，厚度為200nm，占陶瓷漿料體積的5vol％；加入的紫外光引發(fā)劑為占陶瓷漿料液相體系質(zhì)量的3wt％，其中紫外光引發(fā)劑為tpo；

60.2)采用面曝光工藝，在pdms膜上利用剪切力定向3d打印具有定向微觀織構(gòu)的氧化鋁陶瓷素坯；

61.步驟2)的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

62.201)采用面曝光工藝，將pdms膜作為惰性膜放置于漿料槽底部，然后向漿料槽中加入步驟1)制備得到的陶瓷漿料；

63.202)在打印過(guò)程中，在曝光前陶瓷漿料會(huì)由于工作臺(tái)下降被擠壓向周圍流動(dòng)，進(jìn)而定向漿料中的片晶氧化鋁粉，在定向結(jié)束后進(jìn)行曝光固化，并打印下一層，重復(fù)該過(guò)程逐層打印，最終形成具有織構(gòu)的氧化鋁陶瓷素坯。

64.3、采用sem來(lái)觀察片晶氧化鋁和球型氧化鋁的微觀形貌，進(jìn)一步確定顆粒的大小及尺寸。找到比表面積合適的粉用于后續(xù)埋粉脫脂。其中選擇的埋粉具體為單分散粒徑為200nm的sio2及d50直徑為200nm針狀si3n4的混合物。sio2與si3n4按照質(zhì)量比9:1的比例混合均勻。

65.4、將素坯埋入混合粉末中壓實(shí)測(cè)熱重，并根據(jù)熱重分析圖來(lái)確定脫脂升溫曲線。從室溫開(kāi)始采用1.5℃/min的升溫速率升至80℃保溫120min，然后采用0.5℃/min的升溫速率升至130℃保溫240min，采用0.5℃/min的升溫速率升至190℃保溫300min，采用0.5℃/min的升溫速率升至310℃保溫300min，采用0.5℃/min的升溫速率升至450℃保溫300min，采用1.5℃/min的升溫速率升至600℃，采用1.5℃/min的升溫速率升至900℃，采用1.5℃/min的降溫速率降至600℃，然后冷卻至室溫。

66.5)根據(jù)脫脂曲線將氧化鋁陶瓷素坯埋入混合粉步驟3)選擇的埋粉中采用一定壓力壓實(shí)，并在馬弗爐中進(jìn)行熱脫脂，對(duì)脫脂后的陶瓷素坯進(jìn)行燒結(jié)，得到具有高性能的織構(gòu)氧化鋁陶瓷。

67.步驟5)的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

68.501)在50

×

20

×

30mm的陶瓷匣中，底層鋪入步驟3)選擇的埋粉7mm，放入氧化鋁陶瓷素坯，再鋪上步驟3)選擇的埋粉9mm；利用壓板將粉用5mpa壓力壓實(shí)減少空氣通過(guò)空隙與素坯接觸；

69.502)將陶瓷匣放入馬弗爐中部，保證爐內(nèi)溫度與表盤溫度一致；

70.503)根據(jù)步驟4中的升溫曲線進(jìn)行脫脂；

71.504)采用空氣氣氛燒結(jié)爐，室溫-200℃采用0.5℃/min的升溫速率。200℃-600℃采用1.5℃/min的升溫速率，600℃-1400℃采用3℃/min的升溫速率，1400℃-1600℃采用1℃/min的升溫速率1600℃保溫1h，1600℃-室溫采用4℃/min的降溫速率。

72.實(shí)施例2

73.(1)陶瓷漿料液相體系制備：將40vol％的hdda、20vol％的oppea、10vol％的acmo以及30vol％的poe溶劑混合制成液相體系，再加入kd1與cc42分散劑利用行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨30min，kd1與cc42的混合物占陶瓷粉總重的3wt％，kd1與cc42的質(zhì)量比按1:1計(jì)算。

74.(2)然后再加入球形氧化鋁粉末與助燒結(jié)劑，繼續(xù)球磨3h使各個(gè)物料在陶瓷漿料

液相體系中分散均勻，加入球形氧化鋁粉末的用量為陶瓷漿料的45vol％，cao和sio2組成的燒結(jié)助劑占片晶氧化鋁粉質(zhì)量的3wt％，cao和sio2的質(zhì)量比按1:1計(jì)算；

75.(3)然后取出磨球，加入片晶氧化鋁粉繼續(xù)使用行星球磨機(jī)攪拌2h使其混合均勻，最后加入紫外光引發(fā)劑繼續(xù)攪拌均勻得到陶瓷漿料；加入的片晶氧化鋁粉，粉體直徑為7μm，厚度為200nm，占陶瓷漿料體積的5vol％；加入的紫外光引發(fā)劑為占陶瓷漿料液相體系質(zhì)量的3wt％，其中紫外光引發(fā)劑為tpo；

76.步驟2與實(shí)施例1相同

77.3、采用sem來(lái)觀察片晶氧化鋁和球型氧化鋁的微觀形貌，進(jìn)一步確定顆粒的大小及尺寸。找到比表面積合適的粉用于后續(xù)埋粉脫脂。其中選擇的埋粉具體為單分散粒徑為200nm的sio2及d50直徑為200nm針狀si3n4的混合物。sio2與si3n4按照質(zhì)量比7:3的比例混合均勻。

78.4、將素坯埋入混合粉末中壓實(shí)測(cè)熱重，并根據(jù)熱重分析圖來(lái)確定脫脂升溫曲線。從室溫開(kāi)始采用1.5℃/min的升溫速率升至90℃保溫120min，然后采用0.5℃/min的升溫速率升至140℃保溫300min，采用0.5℃/min的升溫速率升至180℃保溫300min，采用0.5℃/min的升溫速率升至310℃保溫300min，采用0.5℃/min的升溫速率升至450℃保溫300min，采用1.5℃/min的升溫速率升至600℃，采用1.5℃/min的升溫速率升至900℃，采用1.5℃/min的降溫速率降至600℃，然后冷卻至室溫。

79.5)根據(jù)脫脂曲線將氧化鋁陶瓷素坯埋入混合粉步驟3)選擇的埋粉中采用一定壓力壓實(shí)，并在馬弗爐中進(jìn)行熱脫脂，對(duì)脫脂后的陶瓷素坯進(jìn)行燒結(jié)，得到具有高性能的織構(gòu)氧化鋁陶瓷。

80.步驟5)的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

81.501)在50

×

20

×

30mm的陶瓷匣中，底層鋪入步驟3)選擇的埋粉7mm，放入氧化鋁陶瓷素坯，再鋪上步驟3)選擇的埋粉9mm；利用壓板將粉用5mpa壓力壓實(shí)減少空氣通過(guò)空隙與素坯接觸；

82.502)將陶瓷匣放入馬弗爐中部，保證爐內(nèi)溫度與表盤溫度一致；

83.503)根據(jù)步驟4中的升溫曲線進(jìn)行脫脂；

84.504)采用空氣氣氛燒結(jié)爐，室溫-200℃采用0.5℃/min的升溫速率。200℃-600℃采用1.5℃/min的升溫速率，600℃-1400℃采用3℃/min的升溫速率，1400℃-1600℃采用1℃/min的升溫速率1600℃保溫2h，1600℃-室溫采用3℃/min的降溫速率。

85.實(shí)施例3

86.(1)陶瓷漿料液相體系制備：將40vol％的hdda、25vol％的peg400da、35vol％的ppg溶劑混合制成100vol％的陶瓷漿料液相體系，再加入kd1與cc42分散劑利用行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨25min，kd1與cc42的混合物占陶瓷粉總重的3wt％，kd1與cc42的質(zhì)量比按1:1計(jì)算。

87.(2)然后再加入球形氧化鋁粉末與助燒結(jié)劑，繼續(xù)球磨2.5h使各個(gè)物料在陶瓷漿料液相體系中分散均勻，加入球形氧化鋁粉末的用量為陶瓷漿料的45vol％，cao和sio2組成的燒結(jié)助劑占片晶氧化鋁粉質(zhì)量的3wt％，cao和sio2的質(zhì)量比按1:1計(jì)算；

88.(3)然后取出磨球，加入片晶氧化鋁粉繼續(xù)使用行星球磨機(jī)攪拌2h使其混合均勻，最后加入紫外光引發(fā)劑繼續(xù)攪拌均勻得到陶瓷漿料；加入的片晶氧化鋁粉，粉體直徑為7μ

m，厚度為200nm，占陶瓷漿料體積的5vol％；加入的紫外光引發(fā)劑為占陶瓷漿料液相體系質(zhì)量的3wt％，其中紫外光引發(fā)劑為tpo；

89.步驟2與實(shí)施例2相同

90.3、采用sem來(lái)觀察片晶氧化鋁和球型氧化鋁的微觀形貌，進(jìn)一步確定顆粒的大小及尺寸。找到比表面積合適的粉用于后續(xù)埋粉脫脂。其中選擇的埋粉具體為單分散粒徑為200nm的sio2及d50直徑為200nm針狀si3n4的混合物。sio2與si3n4按照質(zhì)量比8.5:1.5的比例混合均勻。

91.4、將素坯埋入混合粉末中壓實(shí)測(cè)熱重，并根據(jù)熱重分析圖來(lái)確定脫脂升溫曲線。從室溫開(kāi)始采用1.5℃/min的升溫速率升至85℃保溫120min，然后采用0.5℃/min的升溫速率升至135℃保溫300min，采用0.5℃/min的升溫速率升至185℃保溫300min，采用0.5℃/min的升溫速率升至305℃保溫300min，采用0.5℃/min的升溫速率升至455℃保溫300min，采用1.5℃/min的升溫速率升至600℃，采用1.5℃/min的升溫速率升至900℃，采用1.5℃/min的降溫速率降至600℃，然后冷卻至室溫。

92.步驟5與實(shí)施例2相同。

93.本發(fā)明方法脫脂后的素坯與傳統(tǒng)脫脂后的素坯對(duì)比圖如圖2-3所示，傳統(tǒng)脫脂后的素坯存在著較多裂紋，導(dǎo)致斷面不均勻，形成階梯式斷口，后續(xù)燒結(jié)后裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，使得陶瓷成品缺陷更加明顯，而右側(cè)為混合埋粉脫脂得到的素坯，幾乎沒(méi)有裂紋產(chǎn)生，斷面整齊規(guī)整。為后續(xù)制備高性能陶瓷奠定基礎(chǔ)。

94.實(shí)施例3制備得到的織構(gòu)氧化鋁陶瓷，如圖4所示，可以在sem下觀察到規(guī)整的氧化鋁織構(gòu)組織，通過(guò)織構(gòu)進(jìn)一步提高氧化鋁陶瓷性能。

95.實(shí)施例4

96.(1)陶瓷漿料液相體系制備：將50vol％的hdda與15vol％的tmpta以及35vol％的ppg400溶劑混合制成的液相體系，再加入kd1與cc42分散劑利用行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨20min，kd1與cc42的混合物占陶瓷粉總重的3wt％，kd1與cc42的質(zhì)量比按1:1計(jì)算。

97.(2)然后再加入球形氧化鋁粉末與助燒結(jié)劑，繼續(xù)球磨2h使各個(gè)物料在陶瓷漿料液相體系中分散均勻，加入球形氧化鋁粉末的用量為陶瓷漿料的30vol％，cao組成的燒結(jié)助劑占片晶氧化鋁粉質(zhì)量的3wt％；

98.(3)然后取出磨球，加入片晶氧化鋁粉繼續(xù)使用行星球磨機(jī)攪拌2h使其混合均勻，最后加入紫外光引發(fā)劑繼續(xù)攪拌均勻得到陶瓷漿料；加入的片晶氧化鋁粉，粉體直徑為7μm，厚度為250nm，占陶瓷漿料體積的10vol％；加入的紫外光引發(fā)劑為占陶瓷漿料液相體系質(zhì)量的1wt％，其中紫外光引發(fā)劑為irgacure651；

99.2)采用面曝光工藝，在pdms膜上利用剪切力定向3d打印具有定向微觀織構(gòu)的氧化鋁陶瓷素坯；

100.步驟2)的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

101.201)采用面曝光工藝，將pdms膜作為惰性膜放置于漿料槽底部，然后向漿料槽中加入步驟1)制備得到的陶瓷漿料；

102.202)在打印過(guò)程中，在曝光前陶瓷漿料會(huì)由于工作臺(tái)下降被擠壓向周圍流動(dòng)，進(jìn)而定向漿料中的片晶氧化鋁粉，在定向結(jié)束后進(jìn)行曝光固化，并打印下一層，重復(fù)該過(guò)程逐層打印，最終形成具有織構(gòu)的氧化鋁陶瓷素坯。

103.3、采用sem來(lái)觀察片晶氧化鋁和球型氧化鋁的微觀形貌，進(jìn)一步確定顆粒的大小及尺寸。找到比表面積合適的粉用于后續(xù)埋粉脫脂。其中選擇的埋粉具體為單分散粒徑為200nm的sio2及d50直徑為200nm針狀si3n4的混合物。sio2與si3n4按照質(zhì)量比1:6的比例混合均勻。

104.4、將素坯埋入混合粉末中壓實(shí)測(cè)熱重，并根據(jù)熱重分析圖來(lái)確定脫脂升溫曲線。從室溫開(kāi)始采用0.5℃/min的升溫速率升至80℃保溫100min，然后采用0.1℃/min的升溫速率升至120℃保溫300min，采用0.1℃/min的升溫速率升至180℃保溫300min，采用0.1℃/min的升溫速率升至290℃保溫300min，采用0.1℃/min的升溫速率升至430℃保溫300min，采用0.5℃/min的升溫速率升至580℃，采用0.5℃/min的升溫速率升至900℃，采用0.5℃/min的降溫速率降至600℃，然后冷卻至室溫。

105.5)根據(jù)脫脂曲線將氧化鋁陶瓷素坯埋入混合粉步驟3)選擇的埋粉中采用一定壓力壓實(shí)，并在馬弗爐中進(jìn)行熱脫脂，對(duì)脫脂后的陶瓷素坯進(jìn)行燒結(jié)，得到具有高性能的織構(gòu)氧化鋁陶瓷。

106.步驟5)的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

107.501)在50

×

20

×

30mm的陶瓷匣中，底層鋪入步驟3)選擇的埋粉5mm，放入氧化鋁陶瓷素坯，再鋪上步驟3)選擇的埋粉8mm；利用壓板將粉用5mpa壓力壓實(shí)減少空氣通過(guò)空隙與素坯接觸；

108.502)將陶瓷匣放入馬弗爐中部，保證爐內(nèi)溫度與表盤溫度一致；

109.503)根據(jù)步驟4中的升溫曲線進(jìn)行脫脂；

110.504)采用空氣氣氛燒結(jié)爐，室溫-200℃采用0.5℃/min的升溫速率。200℃-600℃采用1℃/min的升溫速率，600℃-1400℃采用3℃/min的升溫速率，1400℃-1600℃采用1℃/min的升溫速率1600℃保溫1h，1600℃-室溫采用4℃/min的降溫速率。

111.實(shí)施例5

112.(1)陶瓷漿料液相體系制備：將40vol％的hdda、20vol％的oppea、10vol％的acmo以及30vol％的poe溶劑混合制成液相體系，再加入kd1與cc42分散劑利用行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨30min，kd1與cc42的混合物占陶瓷粉總重的3wt％，kd1與cc42的質(zhì)量比按1:1計(jì)算。

113.(2)然后再加入球形氧化鋁粉末與助燒結(jié)劑，繼續(xù)球磨3h使各個(gè)物料在陶瓷漿料液相體系中分散均勻，加入球形氧化鋁粉末的用量為陶瓷漿料的45vol％，cao組成的燒結(jié)助劑占片晶氧化鋁粉質(zhì)量的3wt％；

114.(3)然后取出磨球，加入片晶氧化鋁粉繼續(xù)使用行星球磨機(jī)攪拌3h使其混合均勻，最后加入紫外光引發(fā)劑繼續(xù)攪拌均勻得到陶瓷漿料；加入的片晶氧化鋁粉，粉體直徑為11μm，厚度為200nm，占陶瓷漿料體積的5vol％；加入的紫外光引發(fā)劑為占陶瓷漿料液相體系的1wt％，其中紫外光引發(fā)劑為irgacure651；

115.2)采用面曝光工藝，在pdms膜上利用剪切力定向3d打印具有定向微觀織構(gòu)的氧化鋁陶瓷素坯；

116.步驟2)的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

117.201)采用面曝光工藝，將pdms膜作為惰性膜放置于漿料槽底部，然后向漿料槽中加入步驟1)制備得到的陶瓷漿料；

118.202)在打印過(guò)程中，在曝光前陶瓷漿料會(huì)由于工作臺(tái)下降被擠壓向周圍流動(dòng)，進(jìn)

而定向漿料中的片晶氧化鋁粉，在定向結(jié)束后進(jìn)行曝光固化，并打印下一層，重復(fù)該過(guò)程逐層打印，最終形成具有織構(gòu)的氧化鋁陶瓷素坯。

119.3、采用sem來(lái)觀察片晶氧化鋁和球型氧化鋁的微觀形貌，進(jìn)一步確定顆粒的大小及尺寸。找到比表面積合適的粉用于后續(xù)埋粉脫脂。其中選擇的埋粉具體為單分散粒徑為200nm的sio2及d50直徑為200nm針狀si3n4的混合物。sio2與si3n4按照質(zhì)量比4:9的比例混合均勻。

120.4、將素坯埋入混合粉末中壓實(shí)測(cè)熱重，并根據(jù)熱重分析圖來(lái)確定脫脂升溫曲線。從室溫開(kāi)始采用3℃/min的升溫速率升至110℃保溫200min，然后采用1.5℃/min的升溫速率升至140℃保溫400min，采用1.5℃/min的升溫速率升至210℃保溫400min，采用1.5℃/min的升溫速率升至320℃保溫400min，采用1.5℃/min的升溫速率升至460℃保溫400min，采用3℃/min的升溫速率升至610℃，采用3℃/min的升溫速率升至930℃，采用3℃/min的降溫速率降至600℃，然后冷卻至室溫。

121.5)根據(jù)脫脂曲線將氧化鋁陶瓷素坯埋入混合粉步驟3)選擇的埋粉中采用一定壓力壓實(shí)，并在馬弗爐中進(jìn)行熱脫脂，對(duì)脫脂后的陶瓷素坯進(jìn)行燒結(jié)，得到具有高性能的織構(gòu)氧化鋁陶瓷。

122.步驟5)的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

123.501)在50

×

20

×

30mm的陶瓷匣中，底層鋪入步驟3)選擇的埋粉6mm，放入氧化鋁陶瓷素坯，再鋪上步驟3)選擇的埋粉10mm；利用壓板將粉用5mpa壓力壓實(shí)減少空氣通過(guò)空隙與素坯接觸；

124.502)將陶瓷匣放入馬弗爐中部，保證爐內(nèi)溫度與表盤溫度一致；

125.503)根據(jù)步驟4中的升溫曲線進(jìn)行脫脂；

126.504)采用空氣氣氛燒結(jié)爐，室溫-200℃采用1℃/min的升溫速率。200℃-600℃采用1.5℃/min的升溫速率，600℃-1400℃采用5℃/min的升溫速率，1400℃-1600℃采用2℃/min的升溫速率1600℃保溫1h，1600℃-室溫采用5℃/min的降溫速率。技術(shù)特征：

1.基于光固化3d打印織構(gòu)氧化鋁的混合埋粉脫脂方法，其特征在于，包括如下步驟：1)制備陶瓷漿料：制備陶瓷漿料液相體系，將陶瓷漿料液相體系中加入分散劑利用行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨，然后再加入球形氧化鋁粉末與助燒結(jié)劑，繼續(xù)球磨使各個(gè)物料在陶瓷漿料液相體系中分散均勻；然后取出磨球，加入片晶氧化鋁粉繼續(xù)使用行星球磨機(jī)攪拌使其混合均勻，最后加入紫外光引發(fā)劑繼續(xù)攪拌均勻得到陶瓷漿料；2)采用面曝光工藝，在pdms膜上利用剪切力定向3d打印具有定向微觀織構(gòu)的氧化鋁陶瓷素坯；3)選擇埋粉用于后續(xù)埋粉脫脂；4)對(duì)氧化鋁陶瓷素坯進(jìn)行埋粉狀態(tài)下的熱重分析，設(shè)計(jì)脫脂曲線；5)根據(jù)脫脂曲線將氧化鋁陶瓷素坯埋入步驟3)選擇的埋粉中采用一定壓力壓實(shí)，并在馬弗爐中進(jìn)行熱脫脂，對(duì)脫脂后的陶瓷素坯進(jìn)行燒結(jié)，得到具有高性能的織構(gòu)氧化鋁陶瓷。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光固化3d打印織構(gòu)氧化鋁的混合埋粉脫脂方法，其特征在于，步驟1)中，陶瓷漿料液相體系按照體積百分比由如下原料混合制成：55-70vol％的光敏樹(shù)脂，30-45vol％的溶劑，以上組分體積百分比之和為100％；其中，光敏樹(shù)脂為hdda、tmpta、acmo、oppea中的一種或多種任意比混合，溶劑為poe、ppg200-800、peg200-800中的一種或多種任意比混合；加入的分散劑為球形氧化鋁粉末及片晶氧化鋁粉總重的1-3wt％，分散劑為kd1、cc42中的一種或兩種等比例混合物；；加入的球形氧化鋁粉末的用量為陶瓷漿料的30-45vol％，燒結(jié)助劑占片晶氧化鋁粉質(zhì)量的3wt％，其中燒結(jié)助劑為cao、sio2中的一種或cao與sio等比例混合的混合物；加入的片晶氧化鋁粉，粉體直徑為7

–

11μm，厚度為200

–

250nm，占陶瓷漿料體積的5-10vol％；加入的紫外光引發(fā)劑為占陶瓷漿料液相體系質(zhì)量的1-3wt％，其中紫外光引發(fā)劑為irgacure651或tpo。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光固化3d打印織構(gòu)氧化鋁的混合埋粉脫脂方法，其特征在于，步驟3)中，選擇的埋粉為單分散粒徑為200或300nm的sio2、d50直徑為200或300nm的al2o3、d50直徑為200或300nm針狀si3n4中的一種或任意兩種的混合粉末；當(dāng)埋粉為任意兩種的混合粉末時(shí)，按照1-4:6-9的比例混合均勻。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光固化3d打印織構(gòu)氧化鋁的混合埋粉脫脂方法，其特征在于，步驟4)中，設(shè)計(jì)脫脂曲線具體為：從室溫開(kāi)始采用0.5-3℃/min的升溫速率升至80℃-110℃保溫100-200min，然后采用0.1-1.5℃/min的升溫速率升至120℃-140℃保溫300-400min，采用0.1-1.5℃/min的升溫速率升至180℃-210℃保溫300-400min，采用0.1-1.5℃/min的升溫速率升至290℃-320℃保溫300-400min，采用0.1-1.5℃/min的升溫速率升至430℃-460℃保溫300-400min，采用0.5-3℃/min的升溫速率升至580℃-610℃，采用0.5-3℃/min的升溫速率升至900℃-930℃，采用0.5-3℃/min的降溫速率降至600℃，然后冷卻至室溫。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光固化3d打印織構(gòu)氧化鋁的混合埋粉脫脂方法，其特征在于，步驟5)的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：501)在陶瓷匣中，底層鋪入步驟3)選擇的埋粉5-7mm，放入氧化鋁陶瓷素坯，再鋪上步

驟3)選擇的埋粉8-10mm；利用壓板將粉用5mpa壓力壓實(shí)；502)將陶瓷匣放入馬弗爐中部，保證爐內(nèi)溫度與表盤溫度一致；503)根據(jù)步驟4中的脫脂曲線進(jìn)行脫脂；504)采用空氣氣氛燒結(jié)爐，燒結(jié)過(guò)程為：室溫-200℃采用0.5-1℃/min的升溫速率；200℃-600℃采用1-1.5℃/min的升溫速率，600℃-1400℃采用3-5℃/min的升溫速率，1400℃-1600℃采用1-2℃/min的升溫速率1600℃保溫1-2h，1600℃-室溫采用4-5℃/min的降溫速率。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開(kāi)的基于光固化3D打印織構(gòu)氧化鋁的混合埋粉脫脂方法，包括如下步驟：1)制備陶瓷漿料；2)采用面曝光工藝，在pdms膜上利用剪切力定向3D打印具有定向微觀織構(gòu)的氧化鋁陶瓷素坯；3)選擇埋粉用于后續(xù)埋粉脫脂；4)對(duì)氧化鋁陶瓷素坯進(jìn)行埋粉狀態(tài)下的熱重分析，設(shè)計(jì)脫脂曲線；5)根據(jù)脫脂曲線將氧化鋁陶瓷素坯埋入混合粉步驟3)選擇的埋粉中采用一定壓力壓實(shí)，并在馬弗爐中進(jìn)行熱脫脂，對(duì)脫脂后的陶瓷素坯進(jìn)行燒結(jié)，得到具有高性能的織構(gòu)氧化鋁陶瓷。本發(fā)明基于光固化3D打印織構(gòu)氧化鋁的混合埋粉脫脂方法，解決了目前無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)脫脂工藝制備出高性能光固化3D打印織構(gòu)陶瓷這一問(wèn)題。問(wèn)題。問(wèn)題。

技術(shù)研發(fā)人員：滕家琛 武向權(quán) 康嘉宇 季祥旭 姜奕含 趙亮 魏家豪 楊曜瑋 徐春杰 張忠明

受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安理工大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2022.06.28

技術(shù)公布日：2022/9/6